膨润土石灰混合料改良黄土试验研究

屈 宏 录

(甘肃省铁路投资建设集团有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

黄土作为一种特殊土，广泛分布于我国西北地区，在其特殊生成和赋存环境下形成了水敏性高、湿陷性强、压缩变形大和孔隙节理发育等特殊物理力学特性[1，2]，其直接作为工程填料和建筑物基础时经常发生路基不均匀沉降、路面开裂、边坡坍塌、建筑物沉降倾斜和墙体开裂等工程病害，严重影响着黄土地区工程构筑物的寿命周期和服役性能，使得黄土加固技术研究受到国内外学者的广泛关注[3，4]。

黄土加固方法主要有分层碾压、重锤强夯、沉管挤密和化学改良等方法，但是各种方法优缺点突出。例如，分层碾压施工速度慢、控制标准高，严重影响施工工期。重锤强夯虽施工成本低，但其处理深度有限。沉管挤密虽处理范围、处理深度和处理效果较好，但其具有造价高、施工噪声大等缺点。化学加固虽具有成本低，施工简便快捷等优点，但因加固机理还未完全掌握，导致加固效果存在差异。因此，在实际工程中应用时，必须综合考虑工程造价、施工机械和材料供应等因素进行比选[5，6]。

化学改良黄土是指在黄土中掺入有机类、无机类和微生物类改良剂[6]，通过改良剂与黄土间的物理化学反应，改善黄土的工程性质。其中石灰改良黄土具有施工成本低、改良效果佳和后期强度高等优点，在高速铁路、高速公路路基填筑和渠道防渗等工程中得到了广泛的应用。陈晔[7]、梁乃兴等[6]在20世纪80年代就已经开始系统的研究石灰掺量和养护龄期对黄土抗压及抗剪强度的影响，并测试微观结构对石灰加固黄土的机理做出阐述。此后，众多专家学者[8-14]进行了大量的土工试验，对石灰改良黄土的击实特性、强度特性、抗剪特性、压缩特性、水稳定性等特性展开测试，并对改良土各项特性的影响因素进行分析。但是，石灰作为一种高耗能材料，在其生产过程中产生的粉尘和废水经常污染环境，且石灰固化黄土污染地下水。因此在石灰加固黄土的工程应用中，亟需根据实际工程，创新性地融合新材料，减少石灰用量开发复合型石灰固化剂，使石灰改良黄土朝着创新、环保和节能的方向发展。

鉴于此，本文联合使用石灰和膨润土，开发膨润土—石灰混合料改良黄土，探讨混合料改良黄土机理，分析混合料改良黄土的物理力学特性，以期为黄土化学改良技术提供新思路，为石灰固化黄土的工程应用提供技术指导。

2 膨润土—石灰混合料改良黄土原理

1)石灰水化胶凝作用。

混合料中石灰的结晶反应、碳酸化反应以及火山灰反应可提高改良黄土的后期强度。其中结晶反应生成的晶格相互结合，可将土颗粒胶结起来形成一个整体。碳酸化反应可使得土颗粒的分散度减小，有利于土体抗渗特性和强度特性的提升。火山灰反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝物质，胶结土颗粒。

2)膨润土的填充作用。

膨润土颗粒细小，其粒径主要集中在2 μm～10 μm，可以进入黄土孔隙改良黄土级配，如图1所示，有效填充黄土中孔隙，提高黄土的压实性。

3 膨润土—石灰混合料改良黄土试验

3.1 试验材料

试验用土为兰州天然黄土，取自甘肃某高速公路施工现场，为强烈湿陷性黄土地区，该土质为典型的粉质黏土。膨润土为产自河北省石家庄市的纳基膨润土，其蒙脱石含量为93%。天然黄土和膨润土的基本物理性质参数如表1所示。石灰为过2 mm筛的熟石灰，干燥且活性强。天然黄土的粒度分布如图2所示，可知本文选取的天然黄土颗粒的粒径有82.8%都集中于10 μm～100 μm之间，土体级配较差。

表1 LH的物理性质参数

3.2 试验方案设计

将天然黄土风干后过筛，根据表1所示混合料配合比，配置不同石灰和膨润土掺量的混合料，并与土样搅拌均匀，根据《土工试验方法标准》[15]，对不同掺量的混合料改良黄土开展液塑限试验和轻型击实试验，测试不同配比混合料的改良黄土的液限、塑限、最优含水率和最大干密度，如表2所示。

表2 膨润土—石灰混合料设计掺量组合

根据击实试验结果，将不同配比混合料改良黄土加水至最优含水率并搅拌均匀，控制压实度为95%，采用液压千斤顶制备直径39.1 mm、高84 mm的标准试样，并用保鲜膜覆盖养护，分别在0 d,7 d,14 d,21 d,28 d龄期后开展无侧限抗压强度试验。

4 试验结果分析

4.1 液塑限联合测定试验

液塑限联合测定试验结果如图3所示，可知在黄土中掺加灰土和膨润土后，土体的液限、塑限增大。其原因是在石灰改良黄土中掺入膨润土，可显著改善土体的级配、胶结性、易压实性，压实度。但石灰与膨润土颗粒更细、比表面积更大，吸水能力更强，导致混合料改良黄土的液塑限增大。

4.2 击实试验

从图4可以看出，在黄土中掺加混合料改良后，不同配比混合料改良黄土的最优含水率增大，且最优含水率随膨润土和石灰掺量的增大而增大，其原因是与黄土相比，石灰与膨润土颗粒更细、比表面积更大，吸水能力更强，致使混合料改良黄土的最优含水率增大。

从图5可知，在黄土中掺加混合料后，不同配比混合料改良黄土的最大干密度减小，其原因是与黄土相比，石灰与膨润土颗粒更细、质量更轻，致使石灰和膨润土混合料改良黄土的最大干密度减小。此外，与3%和7%膨润土混合料相比，在黄土中掺加 5%膨润土+5%灰土混合料时，改良黄土的最优含水率进一步减小、最大干密度进一步增大，综合考虑施工成本问题，该混合料配合比可在减少石灰掺量的基础上，有效改善黄土的压实性能。

4.3 无侧限抗压强度试验

不同膨润土—石灰掺量和不同养护龄期下混合料改良黄土的无侧限抗压强度试验结果如图6所示。可知在同一龄期下，控制一种固化剂掺量不变，混合料改良黄土的无侧限抗压强度均随着另一掺量的增大出现先增大后减小的变化规律，说明膨润土和石灰的混合掺加存在最佳配合比。例如5%+5%配合比的无侧限抗压强度最高是素土的4.01倍。

此外，还可知在5%石灰改良黄土基础上，掺入3%～7%膨润土后，可显著改善黄土的胶结性，提高强度。考虑施工成本，结合《公路路基设计规范》可知，3%+3%混合料固化黄土可做二级及二级以下公路的路床和路堤填料，3%+5%混合料固化黄土可做高速公路及一级公路的路床和路堤填料。

5 结语

研究发现，颗粒均匀、粉粒含量高、黏粒含量少、胶结性弱的粉质黄土，具有胶结性差、强度低和不易压实等缺点，利用膨润土和石灰混合料改良黄土时，可减少石灰改良黄土中石灰的掺量，降低工程造价。其中混合料改良土既能充分发挥石灰的胶结作用，又能增加其黏粒含量，改善土体的级配。试验发现在 5%石灰改良黄土基础上，掺入 3%～7%膨润土后，可显著改善土体的级配、胶结性和压实性，进而提高土体密实度和强度。3%+5%混合料固化黄土可做高速公路及一级公路的路床和路堤填料。